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CONTROLLI AUTOMATICI
Ingegneria Gestionalehttp://www.automazione.ingre.unimore.it/pages/corsi/ControlliAutomaticiGestionale.htm
Ing. Federica Grossi
Tel. 059 2056333
e-mail: [email protected]
http://www.dii.unimore.it/wiki/index.php/Federica_Grossi
CONTROLLI AUTOMATICI
INTRODUZIONE
Introduzione -- 2Controlli Automatici
Corso di Controlli Automatici
• Materiale didattico:
http://www.automazione.ingre.unimore.it
•Testi di riferimento:
• G. Marro “Controlli Automatici” – Zanichelli ed.
• P. Bolzern, R. Scattolini, N. Schiavoni, “Fondamenti di
Controlli Automatici”, Mc Graw-Hill ed.
• Ricevimento:
• prima o dopo le lezioni;
• previo appuntamento tramite e-mail.
Introduzione -- 3Controlli Automatici
Controlli Automatici – Argomenti (I)
• Introduzione al problema del controllo
• Sistemi fisici e modelli
• Strumenti matematici per l'analisi di sistemi dinamici lineari
• (equazioni differenziali)
• trasformata di Laplace
• funzione di risposta armonica
• Analisi della risposta temporale di sistemi dinamici elementari
• sistemi del 1° e 2° ordine
• Analisi della risposta frequenziale di sistemi dinamici elementari
• Diagrammi di Bode
• Introduzione al controllo automatico
• controllo in catena aperta
• controllo in retroazione
• Analisi dei sistemi in retroazione
• luogo delle radici
Introduzione -- 4Controlli Automatici
Controlli Automatici – Argomenti (II)
• Introduzione al progetto di sistemi di controllo
• definizione delle specifiche
• Progetto mediante luogo delle radici
• Regolatori standard
• reti correttrici,
• PI, PID
Introduzione -- 5Controlli Automatici
• Significato del termine Controllo
• Azione su una macchina, un apparato, un impianto, un processo per modificarne (migliorarne) il comportamento
• Più antico sistema di controllo:
Uomo
• Alcuni esempi di attività umane dove il controllo è elemento indispensabile
• camminare
• suonare il pianoforte
• guidare l'automobile
• …….
Introduzione
Introduzione -- 6Controlli Automatici
Introduzione
Esempi di azioni di controllo eseguite dall'uomo
• Controllo (manuale) di temperatura
Introduzione -- 7Controlli Automatici
Introduzione
Esempi di azioni di controllo eseguite dall'uomo
• Controllo (manuale) di livello
sistema
Introduzione -- 8Controlli Automatici
Introduzione
Esempi di azioni di controllo eseguite dall'uomo
• Controllo (manuale) di velocità
Introduzione -- 9Controlli Automatici
Controllo in catena aperta
(anello aperto, azione diretta)
azione basata su un modello ed informazioni iniziali
Introduzione
• Considerazioni riassuntive
Introduzione -- 10Controlli Automatici
sistema Controlli in retroazione
(catena chiusa, anello chiuso)
azione basata su
un modello e
su informazioni
continue
dal sistema
Introduzione
• Considerazioni riassuntive
Introduzione -- 11Controlli Automatici
il sistema da controllare (impianto)
l’attuatore
+ - l’algoritmo di controllo
l’unità di controlloil sensore
Introduzione
• Elementi chiave di un sistema di controllo
Introduzione -- 12Controlli Automatici
il sistema da controllare
(impianto)
001011
0100l’algoritmo di controllo
Introduzione
• Dal Controllo Manuale al Controllo Automatico
l’unità di controllo
il sensore
l’attuatore
Ingegneria e
Tecnologie
dei Sistemi
di Controllo
Controlli
Automatici
specifica
Controllo della temperatura
Analisi
Sintesi
Introduzione -- 13Controlli Automatici
Settori applicativi dell'Ingegneria del Controllo
• Settori dell'Ingegneria
• Impianti chimici, macchine ed impianti meccanici, robotica, industria
aeronautica, spaziale…..
• sistemi per la produzione, il trasporto e la gestione della energia, per
il controllo del traffico (aereo, stradale, ...)
• apparati elettronici, elettromeccanici e di telecomunicazione
• sistemi di trasporto (automobile, treni), elettrodomestici, domotica,
…...
• Altri settori
• economia e finanza
• sistemi sociali e politici
• ambiente e territorio
• medicina e biologia, …..
Introduzione -- 14Controlli Automatici
Cenni storici
• Le origini del controllo
• l'uomo ha sempre tentato di costruire sistemi il cui comportamento
fosse migliorato da un sistema di controllo
• l'approccio è stato empirico ed inventivo fino alla metà del XIX secolo
tem
po
orologio ad acquaKtesibios 300 a.c.
Introduzione -- 15Controlli Automatici
Cenni storici
• Esempio famoso: motore a vapore di J. Watt (1798 ca), con controllo
automatico
Controllo automatico della velocità
Introduzione -- 16Controlli Automatici
Cenni storici
Le origini del controllo
• nella seconda metà del XIX secolo J. C. Maxwell e I. A.
Vyshnegradskii formularono indipendentemente le prime teorie del
controllo basate su modelli descritti da equazioni differenziali
• nella prima metà del XX secolo gli sviluppi della teoria del controllo
proseguirono in modo differenziato nei paesi occidentali ed in Unione
Sovietica
a partire da motivazioni ingegneristiche all'ovest
su basi prettamente matematiche all'est
• pietra miliare dello sviluppo ingegneristico della moderna teoria del
controllo è l'amplificatore in retroazione negativa (Black, 1927)
sviluppi teorici sullo studio della stabilità di
Nyquist 1932,
Bode 1940
Introduzione -- 17Controlli Automatici
Cenni storici
I Controlli Automatici divennero una vera e propria disciplina
ingegneristica a partire dagli anni 40'
• Impulsi allo sviluppo dei Controlli Automatici
la seconda guerra mondiale
autopiloti per aerei, sistemi di puntamento per cannoni, per radar,…
lo sviluppo dei calcolatori elettronici (primi anni 50')
rese applicabili molte teorie già sviluppate sul piano formale
la conquista dello spazio (anni 60' e 70')
fu possibile per la disponibilità di sofisticati sistemi di controllo
lo sviluppo dei microprocessori (seconda metà degli anni 70') e dei DSP (seconda metà degli anni 80')
diffusione generalizzata dei sistemi di Automazione Industriale
introduzione di sistemi di controllo in una moltitudine di apparati anche al di fuori delle applicazioni industriali
Introduzione -- 18Controlli Automatici
Situazione attuale e prospettive di sviluppo
Sofisticati sistemi di controllo sono presenti in tutti i sistemi
militari, industriali, civili
• applicazioni in settori ingegneristici non industriali
autoveicoli
già oggi ci sono decine di sistemi di controllo:
servosterzo, servofreno, ABS, controllo di assetto, controllo dell'iniezione, fasatura variabile, …..
In prospettiva si arriverà a centinaia di sistemi di controllo
elettronica di consumo
macchine fotografiche, videocamere, telefoni cellulari
lettori di CD, DVD, periferiche per computer
elettrodomestici
lavatrici, lavastoviglie, frigoriferi,..
domotica
controllo remoto delle attività domestiche (favorito dallo sviluppo dei sistemi di comunicazione)
Introduzione -- 19Controlli Automatici
Situazione attuale e prospettive di sviluppo
• Aree di sviluppo in settori non ingegneristici
• apparecchiature biomediche
• sistemi biologici
• ambiente e territorio
• sistemi socio-economici
• mercati finanziari
• marketing
Introduzione -- 20Controlli Automatici
Terminologia
• Sistema
• insieme costituito da più parti (sottosistemi) tra loro
interagenti di cui si vuole indagare il comportamento
astrazione di comodo
• Sistema fisico
• insieme complesso costituito da elementi materiali
circuito elettrico, macchina meccanica, impianto chimico, bacino idrico, azienda, corpo umano, ….
• Sistema astratto
• insieme complesso costituito da elementi immateriali
sistema giuridico, sistema universitario, sistema sociale, ….
• Fenomeno (fisico)
• manifestazione delle interazioni tra le parti di un sistema
Introduzione -- 21Controlli Automatici
Terminologia
• Esempi di sistemi
I sistemi reali sono in generale collegati
con il resto del mondo
aereo supersonico
Sottosistemi:
reattore, ali, flaps,pressurizzazione,...
automobile sportiva
Sottosistemi:
motore, sospensioni, freni, ...
I sottosistemi sono a loro volta sistemi: dipende dal livello di
dettaglio della analisi svolta
Introduzione -- 22Controlli Automatici
Terminologia
• Collegamento
• interazione del sistema con il resto del mondo
• Classificazione dei collegamenti con il mondo esterno
• ingressi
azioni che il resto del mondo effettua sul sistema. In generale sono in grado di modificarne il comportamento
ingressi di controllo (su cui agiamo)
ingressi di disturbo (su cui non possiamo o non vogliamo agire)
• uscite
risultati esterni (effetti) delle azioni e dell'evoluzione temporale del sistema dovuta a condizioni iniziali
In molti casi l'attribuzione ad un collegamento della natura di ingresso o di uscita
è arbitrariamente fatta dal progettista per sua convenienza o scelta.
Introduzione -- 23Controlli Automatici
Terminologia
• Esempi di orientamento
qual'è l'ingresso ?
qual è l'uscita?
Dipende dalla scelta del progettista ciascuna delle due
variabili i(t) e v(t) può assumere entrambi i ruoli
La coppia erogata dal motore è
un ingresso o una uscita ?
Per l'intero veicolo è un ingresso
per il sottosistema motore è una uscita
In un sistema complesso alcune uscite di sottosistemi
sono ingressi di altri sottosistemi.
i(t)
v(t)
Introduzione -- 24Controlli Automatici
Terminologia
• Ingressi di controllo e di disturbo
Es. riscaldamento dell'aula
Ingresso di controllo
potenza termica immessa dai radiatori
Ingressi di disturbo
temperatura esterna
Uscita
temperatura della stanza
Irraggiamento solare
potenza termica generata dalla persone
Introduzione -- 25Controlli Automatici
Terminologia
• Sistemi autonomi• non possiedono ingressi
• la loro evoluzione temporale non dipende dal resto del mondo
• non si possono controllare
• Controllo• azione su un sistema per imporgli comportamenti desiderati
• Attenzione!• Talora in italiano il termine Controllo è usato per indicare una attività
di semplice osservazione in termine tecnico: monitoraggio
• Controllo Automatico• azione di controllo esplicata automaticamente da una macchina
Introduzione -- 26Controlli Automatici
Terminologia
• Modello
• rappresentazione (fisica o astratta) approssimata di un sistema
costruita per uno scopo
per un sistema possono essere costruiti infiniti modelli
• riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessano
• Segnale
• grandezza fisica o astratta associata per comodità di manipolazione
ad una grandezza fisica
ad una grandezza fisica possono essere associati infiniti segnali
• riproduce solo i comportamenti e le proprietà che interessano
di solito non ha associata una potenza
tensione senza corrente, velocità senza forza,...
• Modelli e segnali sostituiscono i corrispondenti sistemi e grandezze fisiche nelle
manipolazioni formali
Introduzione -- 27Controlli Automatici
Terminologia
• Tipologie di modello
• fisico
in scala, ..
per lo studio del comportamento
• comportamentale
descrizione a parole, ..
per la comprensione del sistema
per il progetto di semplici sistemi di controllo
• descrittivo
schemi, disegni, ..
per il progetto
per la costruzione
Introduzione -- 28Controlli Automatici
Terminologia
• Tipologie di modello
• matematico
sistemi di equazioni (differenziali)
per la formalizzazione di leggi fisiche
per lo studio al calcolatore del comportamento (simulazione)
per la previsione
per il controllo
Introduzione -- 29Controlli Automatici
Sistemi e Modelli
• Modello matematico: Descrizione della struttura e dell'evoluzione del sistema mediante simboli matematici. Le grandezze caratteristiche di un sistema sono classificate come:
• parametri, che descrivono la struttura fisica e sono solitamente costanti: valore di una resistenza, massa di una trave, caratteristiche geometriche di un robot, ...
• variabili, che descrivono il variare di una grandezza del sistema: corrente elettrica, posizione o velocità di un corpo nello spazio, temperatura di un forno, livello di un liquido in un contenitore, ...
• I parametri e le variabili di un modello matematico (sistema) sono espressi da numeri (interi, reali o complessi) con o senza dimensioni. Le loro interdipendenze sono definite da relazioni matematiche.
v(t) = R i(t)R parametro
v(t), i(t) variabili
Introduzione -- 30Controlli Automatici
Sistemi e Modelli
• Modelli da leggi fisiche: legge di Ohm, legge di Newton, legge di Boyle, ... relazioni matematiche che interpretano determinate relazioni di causa-effetto in sistemi fisici, e che derivano da sintesi di teorie o da congetture;
• Modelli “black-box”: per sistemi particolarmente complessi (economici, sociali, ambientali, ...) non sono definite regole matematiche di comportamento. In questi casi sono definiti modelli matematici basati sull'osservazione dei soli dati sperimentali (scatola nera: si ignora il contenuto della scatola).
Sistema Modello!
• Ad uno stesso sistema è possibile associare più di un modello, in base sia al particolare problema che si deve risolvere sia al tipo di precisione che si intende raggiungere.
Ogni modello è una descrizione approssimata di un dato sistema.
• Comunemente, si intende con il termine sistema sia il sistema fisico vero e proprio, sia il modello matematico con il quale viene descritto.
Introduzione -- 31Controlli Automatici
Terminologia
• Tipologie di segnale
• fisico grandezze fisiche il cui comportamento riproduce (in parte)
quello della grandezza di interesse ma la cui manipolazione risulta possibile o più agevole con la tecnologia disponibile è opportuno che la natura fisica dei segnali utilizzati in un sistema di
controllo sia congruente con quella del dispositivo utilizzato per implementare il controllo stesso
tipicamente: elettrico, pneumatico, idraulico
• astratto grandezza concettuale che riproduce (in parte) il solo contenuto
informativo della grandezza fisica di interesse variabile o funzione in un sistema di equazioni
contenuto di memoria in un calcolatore elettronico
Introduzione -- 32Controlli Automatici
Introduzione al Controllo
Elementi fondamentali per il progetto di un sistema di controllo.
Occorre:
1. costruire un modello del sistema (in generale un impianto o una
macchina
2. definire i segnali corrispondenti alle grandezze fisiche interessate
dal controllo
3. stendere le specifiche di progetto per il sistema controllato
4. progettare un algoritmo di controllo basato sul modello del sistema,
sui segnali disponibili e sulle specifiche
gli algoritmi di controllo che si imparano a progettare nei vari corsi di Controlli Automatici sono, in realtà, il modello del sistema di controllo (vero) da costruire
5. verificarne il comportamento mediante tecniche di simulazione
6. realizzare il sistema fisico che implementa il controllo
corso di Ingegneria e Tecnologie dei Sistemi di Controllo
Introduzione -- 33Controlli Automatici
grandezze
fisiche
ingressi
grandezze
fisiche
uscite
sistema
grandezze
fisiche
stati
segnale
modello
algoritmo
segnale
Controlli Automatici
Introduzione al Controllo
• Concettualizzazione a blocchi
specifiche
Introduzione -- 34Controlli Automatici
Introduzione al Controllo
•Schema a blocchi di un sistema di controllo
interfaccia impiantoregolatoreSpecifica
sensoreinterfaccia
attuatore
Calcolatore
HwSw
Segnali
astratti
Segnali
fisici
Grandezze
fisiche
Sistema di controllo
Introduzione -- 35Controlli Automatici
Introduzione al Controllo
•Schema tecnologico di un sistema di controllo
Sensori
N
Unità di controllo
Attuatori
AD1001
Impianto
1A
1001D
Introduzione -- 36Controlli Automatici
Introduzione al Controllo
• Progetto di un sistema di controllo
• definizione delle specifiche
obiettivi da conseguire
qualità del controllo
costo
.....
• Modellazione del sistema
scelta del dettaglio
definizione degli ingressi
definizione delle uscite
tipologia di rappresentazione
"costruzione" del modello
validazione mediante simulazione
Introduzione -- 37Controlli Automatici
• Progetto di un sistema di controllo
• analisi del sistema
studio delle proprietà
verifica di fattibilità delle specifiche di controllo
• sintesi della legge di controllo
basata sul modello
verifica delle proprietà del sistema controllato
valutazione della complessità e stima del carico computazionale
• simulazione del sistema controllato
condizioni ideali
condizioni realistiche
modello impianto più complesso
quantizzazione delle grandezze,
ritardi di calcolo, disturbi di misura
Introduzione al Controllo
Introduzione -- 38Controlli Automatici
• Progetto di un sistema di controllo
• introduzione degli elementi tecnologici
sensori, attuatori
catena di acquisizione ed attuazione
dispositivo di elaborazione
• sperimentazione
prototipazione rapida
verifica delle specifiche
stima del costo
costruzione di un prototipo definitivo
ingegnerizzazione
produzione in serie
Introduzione al Controllo
Introduzione -- 39Controlli Automatici
Motivazioni del Controllo
Controllare significa agire sull'impianto per modificarne il
comportamento
• Esempio: Controllo della temperatura di una stanza
• perché controllo
condizioni operative variabili
temperatura esterna
irraggiamento solare
numero di persone
specifiche variabili
temperatura interna desiderata che varia in funzione della presenza in casa
Introduzione -- 40Controlli Automatici
Motivazioni del Controllo
• Controllo della temperatura di una stanza 1
• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti
delle condizioni operative variabili
spessore delle pareti
rivestimento delle pareti
esposizione delle stanze
forma e dimensioni delle finestre
• Politica di gestione abbigliamento dei proprietari
chiusura dei vetri d'inverno
chiusura delle persiane durante il giorno d'estate
apertura delle finestre durante la notte
• Ottimizzazione dell'impianto
• basata su un modello
Introduzione -- 41Controlli Automatici
Motivazioni del Controllo
• Controllo della temperatura di una stanza 2
• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti
delle condizioni operative variabili
come prima +
predisposizione di camini e stufe
• Politica di gestione
abbigliamento dei proprietari
gestione delle finestre d'estate
• Azione di controllo
accensione dei camini e delle stufe d'inverno
immissione di una quantità predefinita di energia
• Controllo in catena aperta
• basata su un modello ed una stima delle condizioni
operative
Introduzione -- 42Controlli Automatici
Motivazioni del Controllo
• Controllo della temperatura di una stanza 3
• Costruzione della casa in modo da minimizzare gli effetti
delle condizioni operative variabili
come prima, ma meno curata +
predisposizione di impianto di riscaldamento e condizionamento
• Politica di gestione
abbigliamento dei proprietari (meno attento)
• Azione di controllo
accensione dell'impianto e predisposizione della centralina
immissione di una quantità di energia funzione della temperatura interna ed esterna e delle specifiche
• Controllo in retroazione
• basata su un modello, sulla misura dell'obiettivo
(temperatura interna) e delle condizioni operative
Introduzione -- 43Controlli Automatici
Motivazioni del Controllo
• Esempio
• Sospensione dell'automobile
perché controllo
condizioni operative variabili
numero di persone
rettilineo/curva
tipo di tracciato e di asfalto
specifiche variabili
corsa su pista
rally
guida in città
guida confortevole in autostrada
Introduzione -- 44Controlli Automatici
Motivazioni del Controllo
• Sospensione tradizionale (senza controllo)
Elementi in gioco
Mv = massa del veicolo
Mr = Massa della ruota
S = Sospensione
A = Ammortizzatore
Lo scopo è garantire:
- la tenuta di strada ed il confort
h costante
mediante la scelta (taratura) di:
S accumulatore di energia
(forza posizionale)
A dissipatore di energia
(forza dinamica)
Problemi:
- specifiche in contrasto
- condizioni operative variabili
(passeggeri, tipo di strada, ..)
soluzione di compromesso
valida in condizioni nominali
Mr
AS
h
Mv
Introduzione -- 45Controlli Automatici
Motivazioni del Controllo
• Sospensione con controllo (Sospensione attiva)
Mv
Elementi in gioco
Mv = massa del veicolo
Mr = Massa della ruota
S = Sospensione
A = Ammortizzatore
Se = serbatoio energ.
At = attuatore
Lo scopo è garantire:
- la tenuta di strada ed il confort
h costante
mediante azione intelligente e
continua su:
At scambiatore di energia
con Serb.
Vantaggi:
Cambiamento della strategia di
azione nelle diverse condizioni
soluzione ottimizzata
valida in tutte le condizioni
Svantaggi:
costi
Mr
AS
h
AttSerb.
Azione di
controllo
Introduzione -- 46Controlli Automatici
Motivazioni del Controllo
• Alcune considerazioni
• Gli esempi mostrano che è indispensabile garantire che il sistema da controllare sia, di per
sé, funzionante al meglio anche senza controllo non si costruisce una Panda per correre in F1
il controllo deve principalmente garantire le prestazioni al variare delle specifiche
programmazione giornaliera/settimanale
tipo di guida
al variare delle condizioni operative dell'impianto (parametri)
numero di persone presenti nella stanza o di passeggeri
al variare degli agenti esterni (disturbi)
temperatura esterna
irraggiamento
salita/discesa, vento, stato dell'asfalto (buche,…)
• punto di partenza per il progetto di un sistema di controllo è la predisposizione di un modello dell'impianto
CONTROLLI AUTOMATICI
Ingegneria Gestionalehttp://www.automazione.ingre.unimore.it/pages/corsi/ControlliAutomaticiGestionale.htm
Ing. Federica Grossi
Tel. 059 2056333
e-mail: [email protected]
http://www.dii.unimore.it/wiki/index.php/Federica_Grossi
CONTROLLI AUTOMATICI
INTRODUZIONE
FINE